目录1.前言2.为什么要学习string类2.1 C语言中的字符串2.2 string到底是什么3.string类的常用接口3.1 string的构造4.string的容量操作4.1 size()和length()4.2 capacity()4.3 clear()4.4 reserve()4.5 resize()5.string的访问和遍历5.1 operator[](最常用)5.2 迭代器遍历范围for的底层封装也是迭代器哦5.4 范围for5.5 范围for的底层6.string的修改操作6.1 push_back()6.2 append()6.3 operator7.string的查找与截取7.1 find和npos()7.2 substr()7.3 find substr的经典组合8.string的删除操作9.string的比较10.string中的一个特殊问题\011.string模拟实现11.1string模拟实现的基本结构11.2.构造函数和析构函数11.3 String s2(s1)会发生什么11.4.深拷贝11.4.1 String的深拷贝实现12. 赋值运算符同样存在浅拷贝12.1.传统写法的赋值运算符12.2 现代版写法swap12.3为什么swap写法更加简洁13.一个简化版String13.1 为什么string一定要理解深浅拷贝14.写时拷贝了解即可15.string中的operator和operator16.string使用过程中几个容易踩的坑1. size和capacity不要混2. reserve不会改变size3. resize会改变size4. clear不会主动释放capacity5. string和C字符串不要完全等同6. 动态资源类一定要想到深拷贝17.写在最后1.前言学习了C中的类和对象、构造函数、析构函数、拷贝构造以及运算符重载又接触了模板。学到这里其实会发现C里面有一个常见的东西string平时写代码的时候我们经常会这样string s1(hello); string s2(hello world);然后直接使用s1 world; cout s1 endl;如果我们使用C语言来完成同样的事情就需要自己维护字符数组然后配合strcpy、strlen、s等函数来完成字符串的操作。所以C中的string类到底是什么为什么要使用stringstring底层又是怎么实现的这是核心问题这篇文章主要分成下面几个部分为什么要学习string类string类的基本使用string常用接口string的遍历、增删查改string中的几个常见问题string的模拟实现重点浅拷贝与深拷贝传统深拷贝与现代写法其中前面的接口部分大家主要做到会用即可。真正值得我们重点理解的是后面的为什么string需要自己实现拷贝构造什么是浅拷贝为什么浅拷贝会导致程序崩溃深拷贝到底解决了什么问题这个才是这篇文章真正的重点。2.为什么要学习string类2.1 C语言中的字符串我们之前学习C语言的时候就已经接触过字符串。C语言中没有专门的字符串类型它是以\0结尾的一组字符。例如char str[] hello;实际上在内存中可以理解成这样编译器读取到\0就终止h e l l o \0如果我们想获取字符串长度复制追加比较可以使用以下函数strlen(str); strcpy(dest, str); strcat(dest, str); strcmp(str1, str2);但是这些字符串本身和操作函数是分开的函数只是工具。字符空间还需要开发者自行管理容易发生访问越界、内存泄漏操作起来也是相对麻烦。而C是面向对象的语言所以我们自然会想到能不能把字符串和操作字符串的方法封装到一个类里面于是就有了string2.2 string到底是什么C标准库中的string就是一个专门用来处理字符串的类。使用时需要#include string using namespace std;然后就可以string s1; string s2(hello); string s3(s2);甚至可以直接进行s1 world; cout s1 endl;这就是string最大的意义把字符串数据和字符串操作封装到了一起。在实际开发以及OJ刷题中字符串相关题目也基本都会直接使用string。3.string类的常用接口string的接口非常多。这里没有必要一个一个全部讲。因为真正写代码的时候不可能把所有接口全部背下来。我的建议是常用的记住不常用的需要的时候查文档。3.1 string的构造最常见的几种构造方式函数名称功能说明string()重点构造空的string类对象即空字符串string(const char* s)重点用C-string来构造string类对象string(size_t n, char c)string类对象中包含n个字符cstring(const strings)重点拷贝构造函数string s1; string s2(hello); string s3(10, *); string s4(s2);分别对应s1空字符串 s2hello s3********** s4拷贝s2代码#include iostream #include string using namespace std; int main() { string s1; string s2(hello); string s3(10, *); string s4(s2); cout s1 endl; cout s2 endl; cout s3 endl; cout s4 endl; return 0; }string s4(s2);这实际上就涉及到我们后面重点要讲的拷贝构造函数。4.string的容量操作string里面有几个比较常用的容量相关接口。函数作用size()获取有效字符长度length()获取有效字符长度capacity()获取容量empty()判断是否为空clear()清空字符串reserve()预留空间resize()改变有效字符个数4.1 size()和length()两者作用相同那么使用哪个string s(hello); cout s.size() endl; cout s.length() endl;结果都是5。为什么要有两个获取的都是字符串有效字符长度。之所以提供size()主要是为了和其他容器保持统一的接口。所以平时用哪个多不用挑明了。4.2 capacity()capacity表示当前string底层空间能够容纳多少有效字符。例如string s(hello); cout s.size() endl; cout s.capacity() endl;这里size5 capacity可能大于5结果演示为什么capacity一般不等于size因为string为了提高效率通常会提前开辟一些空间。如果每增加一个字符都重新申请空间那么效率也太低了。所以string会先申请一块比较大的空间 ↓ 不断添加字符 ↓ 空间不足 ↓ 再扩容这和我们之前实现顺序表、栈的时候其实是一样的。4.3 clear()string s(hello world); cout s.size() endl; s.clear(); cout s.size() endl; cout s.capacity() endl;这里要注意clear()只是把string中的有效字符清空并不会主动把底层空间大小释放掉。也就是说size ↓ capacity一般不变这个地方很容易搞混当然resize就不一样了后面会介绍。4.4 reserve()reserve可以理解成提前给string预留空间。string s; s.reserve(100);就是开了个100的空间这样我们就提前让string准备一块能够容纳较多字符的空间。如果我们大概知道后面要存很多数据可以使用reserve。string s; s.reserve(1000); for(int i 0; i 1000; i) { s a; }这样可以减少频繁扩容增加效率。4.5 resize()resize和reserve非常容易搞混。大家记住reserve只管空间不管有效字符个数。而resize改变有效字符个数。例如string s(hello world); s.resize(5); cout s endl;结果如果扩大s.resize(10, x);那么多出来的部分会使用x进行填充。5.string的访问和遍历string本质上还是一个字符序列所以我们可以像数组一样访问。5.1 operator[](最常用)string s(hello world); cout s[0] endl; cout s[1] endl;非const string成员也可以进行修改但是加了const的限定修饰就不行s[0] H;5.2 迭代器遍历范围for的底层封装也是迭代器哦string同样支持迭代器string s(hello world); string::iterator it s.begin(); while(it ! s.end()) { cout *it ; it; }begin()指向第一个字符end()指向最后一个字符的下一个位置也就是\0其实这个东西和vector、list的迭代器非常类似。也就是说STL容器的很多操作方式都是统一的。5.4 范围forC11之后可以更加简单for(auto ch : s) { cout ch ; }如果想修改字符就加上引用for(auto ch : s) { ch; }这里的auto非常重要前者是值拷贝修改拷贝不会影响原来的字符串后者是引用修改后也改变了原来的值。5.5 范围for的底层范围for的本质上还是用的迭代器可以说如果可以用迭代器那就可以用范围for如果不能用那就意味着迭代器是被ban掉的。6.string的修改操作string除了可以访问还可以进行各种修改。6.1 push_back()在末尾插一个字符cstring s(hello); s.push_back(!); cout s endl;结果6.2 append()尾部追加字符串strstring s(hello); s.append( world); cout s endl;结果6.3 operator这个更常用string s(hello); s world; cout s endl;结果所以s.push_back(x); s.append(xxx); s xxx;都可以完成字符串追加。但是使用起来更加自然。7.string的查找与截取这个部分在OJ题里面非常常见。7.1 find和npos()例如string s(hello world); size_t pos s.find(world); cout pos endl;因为hello world 0123456789...所以可以找到world的位置。如果没有找到会返回string::npos所以一般写size_t pos s.find(world); if(pos ! string::npos) { cout 找到了 endl; }7.2 substr()substr可以用来截取字符串。string s(hello world); string sub s.substr(6, 5); cout sub endl;它的意思就是从下标6开始截取5个字符7.3 find substr的经典组合例如一个URLstring url ftp://www.baidu.com/?tn65081411_1_oem_dg;我们可以把它拆成协议域名资源实现代码size_t pos1 url.find(://); if(pos1 ! string::npos) { string protocol url.substr(0, pos1); cout protocol endl; } size_t pos2 url.find(/, pos1 3); if(pos2 ! string::npos) { string domain url.substr(pos1 3, pos2 - (pos1 3)); string uri url.substr(pos2 1); cout domain endl; cout uri endl; }这个例子其实还蛮有意思的因为我们学习一个接口最终还是为了使用。find()负责找位置substr()负责截取。两个接口配合起来就可以完成很多字符串处理。8.string的删除操作string还提供了erase。string s(hello world); s.erase(5, 1); cout s endl;删除从下标5开始的一个字符。也可以s.erase(5);表示从下标5开始一直删除到结尾。9.string的比较string支持 !例如string s1(hello); string s2(helloxxx); cout (s1 s2) endl; cout (s1 s2) endl; cout (s1 s2) endl;string的比较本质上是按照字符的字典序进行比较。比如hello helloxxx前面的部分都相同。但是hello更短。所以hello helloxxx10.string中的一个特殊问题\0这里有一个非常值得注意或者学习的地方。C中的字符串是通过\0判断字符串结束的。但是string不一样。string内部有自己的size来记录有效字符个数。例如string s(hello world); s \0; s !!!!!!!!!!; cout s.c_str() endl; cout s endl;这里就可以观察到一个很有意思的测试结果c_str()返回的是C风格字符串适合需要和C接口的场景。而string自己内部记录的是sizeC字符串看\0string主要看自己的size。这一点在string模拟实现的时候尤其重要。11.string模拟实现一直在使用string。那么问题来了string到底是怎么实现的当然不是把string标准的函数全部复现一遍那就太老实了也太耗费时间了我们这里主要是为了理解一个管理动态字符数组的类应该怎么设计。所以我们自己简单实现一个class String就可以了。11.1string模拟实现的基本结构我们先思考一下。一个字符串至少需要管理什么例如String s(hello);底层肯定需要一块空间保存h e l l o \0所以我们至少需要字符串指针char* _str;如果还要支持扩容就需要size_t _size; size_t _capacity;因此可以设计成class String { private: size_t _size; size_t _capacity; char* _str; };这个结构其实和我们之前实现顺序表、栈的时候非常类似。11.2.构造函数和析构函数构造函数String(const char* str ) :_size(strlen(str)) , _capacity(_size) , _str(new char[_capacity 1]) { memcpy(_str, str, _size 1); }这里多申请一个空间是为了存斜杠0不然会出现空间不足\0析构的时候~String() { delete[] _str; _str nullptr; _size _capacity 0; }到这里看起来似乎好像没有什么问题。但是问题马上就来了。11.3 String s2(s1)会发生什么假设String s1(hello); String s2(s1);我们没有写拷贝构造函数。那么编译器会自动生成一个默认拷贝构造。默认拷贝构造做的之前也是反复强调的浅拷贝编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源最后就会导致多个对象共享同一份资源当一个对象销毁时就会将该资源释放掉而此时另一些对象不知道该资源已经被释放以为还有效所以当继续对资源操作时就会发生了访问违规按照成员变量进行逐字节拷贝。我们的类里面有size_t _size; size_t _capacity; char* _str;思路是也就是说s1和s2的_str指向了同一块空间。例如String s1(hello); String s2(s1);执行完之后s1 └── _pstr ──────┐ │ ↓ hello ↑ │ └── _pstr ──────┘ s2两个对象共用同一块空间。但是一旦对象销毁问题就出现了。先析构s2s2析构 ↓ delete[] _str ↓ hello这块空间被释放但是s1._pstr仍然保存着原来的地址。此时s1以为这块空间还是我的。但其实实际上这块空间早已被释放了。当s1再次析构同一块空间被释放两次。这就是经典的double free程序可能直接崩溃就炸了。11.4.深拷贝既然浅拷贝有问题那么怎么办答案就是深拷贝。深拷贝的核心思想其乃是:每个对象拥有自己独立的空间资源。上面的例子深拷贝之后应该是s1._str ─────→ hello s2._str ─────→ hello虽然两个字符串内容一样hello但是它们不是同一块空间。地址不一样。所以s1销毁 ↓ 释放s1自己的空间 s2销毁 ↓ 释放s2自己的空间互不影响。这才是正确的资源管理。11.4.1 String的深拷贝实现那么拷贝构造就不能让编译器默认生成了。需要自己写String(const String s) { _str new char[s._capacity 1]; memcpy(_str, s._str, s._size 1); _size s._size; _capacity s._capacity; }这里最关键的是重新申请了一块空间。new char[...]然后memcpy(...)把原来的字符串内容复制过来。这样两者彻底独立每个人都有独立的空间。12. 赋值运算符同样存在浅拷贝解决了拷贝构造就结束了还有一个非常重要的地方例如String s1(hello); String s2(world); s1 s2;这时候是两个已经存在的对象进行赋值。和String s1(s2);是不一样的。前者是赋值运算符重载后者是拷贝构造如果我们不写operator。编译器也会自动生成。默认情况下同样是逐字节拷贝s1._str ──→ hello s2._str ──→ world s1 s2 s1._str ──┐ ├──→ world s2._str ──┘于是又出现了两个对象管理同一块资源的问题。还是浅拷贝所以可以记住但凡是涉及动态资源管理的类一般都需要自己实现拷贝构造、赋值运算符以及析构函数。这也是我们之前学习类和对象时反复强调的内容。12.1.传统写法的赋值运算符我们可以这样写String operator(const String s) { if(this ! s) { char* tmp new char[s._capacity 1]; memcpy(tmp, s._str, s._size 1); delete[] _str; _str tmp; _size s._size; _capacity s._capacity; } return *this; }为新对象独立申请一个临时空间把对象s的内存空间移植新空间tmp里释放旧空间。然后将当前对象的指针指向新的空间。这里有一个非常重要的判断if(this ! s)这是为了防止自己给自己赋值。如果不判断可能把自己的资源先释放掉然后再从已经释放的空间里复制数据。所以自赋值检查非常重要。12.2 现代版写法swap其实上面的赋值运算符代码还是有一点长。我们可以使用swap就是pua人家大忽悠首先写一个swapvoid swap(String s) { std::swap(_str, s._str); std::swap(_size, s._size); std::swap(_capacity, s._capacity); }然后String operator(String s) { swap(s); return *this; }是不是一下简单了很多但是为什么参数不是const String而是直接传值因为进入函数之前已经用拷贝构造得到了一个副本这个副本拥有自己的资源。然后直接把当前对象和这个临时副本的资源交换。函数结束以后临时对象s ↓ 析构 ↓ 释放原来this的资源整个过程就非常自然。12.3为什么swap写法更加简洁s1 s2;执行传统写法申请新空间 ↓ 复制数据 ↓ 释放旧空间 ↓ 修改指针指向新空间而现代一点的写法String operator(String s) { swap(s); return *this; }变成先构造一个副本 ↓ swap交换资源 ↓ 临时对象析构 ↓ 释放旧资源代码不仅短而且异常安全性也更容易保证。13.一个简化版String为了不把模拟实现写得太复杂这里我只保留最核心的部分。class String { public: String(const char* str ) { _size strlen(str); _capacity _size; _str new char[_capacity 1]; memcpy(_str, str, _size 1); } // 深拷贝 String(const String s) { _str new char[s._capacity 1]; memcpy(_str, s._str, s._size 1); _size s._size; _capacity s._capacity; } void swap(String s) { std::swap(_str, s._str); std::swap(_size, s._size); std::swap(_capacity, s._capacity); } // 现代写法 String operator(String s) { swap(s); return *this; } ~String() { delete[] _str; _str nullptr; _size _capacity 0; } private: char* _str; size_t _size; size_t _capacity; };13.1 为什么string一定要理解深浅拷贝这个问题其实非常重要。以后学习vector string list stack queue以及自己写一些带动态资源的类时都会遇到类似的问题。只要类里面出现new malloc 文件句柄 资源指针那么就一定要想到这个资源是谁申请的谁负责释放对象拷贝之后资源应该共享还是独立如果直接使用默认拷贝那么就可能出现浅拷贝问题所以深浅拷贝本质上是一个资源管理问题。14.写时拷贝了解即可除了深拷贝之外还有一种比较经典的方式写时拷贝。它的思想是多个对象可以先共享同一份资源只有真正发生修改的时候才进行拷贝。这里就需要一个引用计数┌───────────┐ s1 ───→ │ │ s2 ───→ │ hello │ s3 ───→ │ ref 3 │ └───────────┘三个对象共同使用一份资源。如果只是读取cout s1; cout s2;大家可以一起用。如果s1[0] H;s1要修改资源。那么s1就需要重新申请一份空间复制原来的内容s1独立修改s1 ───→ Hello s2 ───→ hello s3 ───→ hello这就是写时拷贝的基本思想。15.string中的operator和operator我们平时可以直接string s; cin s; cout s endl;是因为string重载了operator这其实和我们之前学习日期类时的流插入、流提取是一样的。ostream operator(ostream out, const String s) { for(auto ch : s) { out ch; } return out; }而输入则可以通过读取字符的方式实现。这一部分模拟实现了解原理即可没有必要为了模拟标准库而写出非常复杂的输入代码。16.string使用过程中几个容易踩的坑最后再总结几个比较容易出错的地方。size和capacity不要混size表示有效字符数量。capacity表示当前底层空间的容量。reserve不会改变size只是预留空间。resize会改变size。s.resize(100)会改变有效字符数量。clear不会主动释放capacity。主要是清空有效字符。string和C字符串不要完全等同。C字符串通过\0判断结束。string内部维护size动态资源类一定要想到深拷贝否则非常容易出现浅拷贝问题。17.写在最后string这个东西刚开始接触的时候可能会觉得不就是一个字符串吗这么简单需要特意去学吗实际上真正学习string并不是为了记住这些接口这些直接调用就可以不会就看看文档push_back() append() find() substr() erase()真正重要的是通过string去理解一个类是如何管理资源的。尤其是我们自己模拟实现string的时候char* _str;一旦出现了这个指针事情就不简单了笑容是会转移的。因为它已经不是简单的int double char这种值类型数据。它背后管理的是一块动态申请的空间。所以当对象发生拷贝的时候就必须考虑是复制指针还是复制资源如果只是复制指针s1 ──┐ ├──→ 同一块空间 s2 ──┘这就是浅拷贝。如果重新申请空间s1 ──→ 空间1 s2 ──→ 空间2这就是深拷贝。而深拷贝解决的核心问题就是让每个对象拥有自己独立的资源。所以以后再看到这种代码class String { char* _str; };一定要打起100分精神这里面有没有动态资源拷贝怎么办赋值怎么办析构怎么办这才是string这一章真正值得我们掌握的东西。string只是一个开始。后面我们继续学习STL的时候还会看到vector list stack queue map set这些容器背后其实都有很多类似的思想。把string这一关真正搞明白后面的STL学习也会轻松很多。下篇可能会讲解string的力扣练习题。感谢大家的观看阅读如果这篇文章能够给你们带来哪怕一点点收获和解决困惑那对我而言都是一种动力和成就感。如果文章对你有帮助欢迎点赞 、收藏 ⭐、评论 支持一下